JP2022043069A - 積層圧電素子、振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高い駆動効率で駆動可能な非鉛系積層圧電素子を提供することを目的とする。【解決手段】 圧電材料層と、電極層が交互に積層された積層圧電素子において、前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍであることを特徴とする積層圧電素子を提供する。【選択図】 図２
Description
本発明は、積層圧電素子、該積層圧電素子を用いた振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器に関する。
積層圧電素子は圧電材料層と電極層とが交互に積層された構造を有しており、低い電圧で大きな変形歪みが得ることができる。積層圧電素子に振動を増幅するための弾性体を取り付けると振動子となり、振動子は様々なアクチュエータに用いることができる。例えば、振動子に移動体を取り付け、電圧によって移動体部分が回転運動するように構成した振動波モータがある。
特許文献１には、積層圧電素子の圧電材料層にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと呼ぶ）を用いることが開示されている。しかし、ＰＺＴは主成分として鉛を含有するため、廃棄された際に鉛成分が土壌に溶け出し、生態系に害を及ぼすか可能性があるなど環境に対する影響が問題視されている。このため、鉛を含有しない、いわゆる非鉛圧電材料を用いた積層圧電素子（以下、非鉛系積層圧電素子と呼ぶ）が検討されている。
一方で、非鉛圧電材料としてはチタン酸バリウム系材料が有望視されている。非特許文献１には高い圧電定数を有するチタン酸バリウム系材料が開示されている。
"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ"２０１０年９３巻１０号２９４２ページから２９４４ページ
しかし、非特許文献１においてはチタン酸バリウム系材料の抗電界が小さいゆえ、圧電材料層に起因した電気的損失が多くなり、良好な駆動効率が得られないという問題があった。
本発明は、上述した問題に対処するためになされたものであり、高効率で駆動可能な非鉛系積層圧電素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、圧電材料層と、電極層が交互に積層された積層圧電素子において、
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍ
であることを特徴とする積層圧電素子を提供する。
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍ
であることを特徴とする積層圧電素子を提供する。
本発明によれば、高効率で駆動可能な非鉛系の積層圧電素子を提供できる。また、高効率で駆動可能な振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。
本発明の積層圧電素子は圧電材料層と、電極層が交互に積層された積層圧電素子において、
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍ
であることを特徴とする。
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍ
であることを特徴とする。
この条件を満たすとき、積層圧電素子の分極反転が生じる電界が十分に大きいため、積層圧電素子に大きな電界を印加することが可能となる。すなわち、本発明の積層圧電素子は耐電界性に優れることを意味する。その結果、分極反転により生じる電流成分に起因した消費電力が少ないため、本発明の積層圧電素子は良好な駆動効率で駆動可能となる。ここで駆動効率とは、所望の速度における消費電力が少ないこと、または、モータの入力電力に対する機械出力の比が大きいことを意味する。
本発明を実現するための手段は特に限定されないが、前記（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値は、チタン酸バリウム系材料の組成、積層圧電素子の焼成最高温度、後述する第一のナットの締付圧力等によって可変させることが可能である。
本発明の積層圧電素子は、圧電材料層と、電極層が交互に積層されている。
図１は本発明の積層圧電素子の一実施形態を示した断面概略図である。図１において、積層圧電素子は圧電材料層１１－１、１１－２、１１－３、・・・、１１－２、１１－３と、金属で構成された電極層である金属電極層１２とが交互に積層されている。圧電材料層１１－２の表面は、金属電極層１２が圧電材料層の周方向に４分割され、電極Ａ＋、Ａ－、Ｂ＋、Ｂ－が形成されるとともに、互いに非導通に構成されている。圧電材料層１１－３の表面は、金属電極層１２が圧電材料層の周方向に４分割され、電極ＡＧ＋、ＡＧ－、ＢＧ＋、ＢＧ－が形成されるとともに、互いに非導通に構成されている。ここでＧはグラウンドのことである。
圧電材料層１１－２に形成された金属電極Ａ＋、Ａ－、Ｂ＋、Ｂ－、圧電材料層１１－３に形成された内部電極ＡＧ＋、ＡＧ－、ＢＧ＋、ＢＧ－は８個のスルーホール１３により接続され、電気的に導通している。また、８個のスルーホールは圧電材料層１１－１の表面に達している。このような加工を施した後に、４分割された金属電極のうち１８０度の位置関係にある２つの金属電極を互いに分極方向が異なるように特定の、温度、電界の極性、電界強度、および時間で分極処理を行う。
後述する電界－ヒステリシス特性は、Ａ＋とＡＧ＋、Ａ－とＡＧ－、Ｂ＋とＢＧ＋もしくはＢ－とＢＧ－のいずれか１相に電圧を印加することによって、測定することが可能となる。
ここで圧電材料層はチタン酸バリウム系材料からなる。チタン酸バリウム系材料は、鉛成分を実質的に使用せず（１０００ｐｐｍ以下）に高い圧電定数を示し、かつ微量の添加物によって機械的品質係数を高くしたり、誘電正接を小さくしたりすることができ、特性の調整が容易という利点がある。ここでチタン酸バリウム系材料とは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸バリウムカルシウム（（Ｂａ、Ｃａ）ＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ３）、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム（（Ｂａ、Ｃａ）（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ３）、ニオブ酸ナトリウム－チタン酸バリウム（ＮａＮｂＯ３－ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム－チタン酸バリウム（（Ｂｉ、Ｎａ）ＴｉＯ３－ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム－チタン酸バリウム（（Ｂｉ、Ｋ）ＴｉＯ３－ＢａＴｉＯ３）などの組成や、これらの組成を主成分（圧電材料の総重量に対して５１重量％以上の含有率）とした材料のことを指す。これらの中でも、圧電材料層の圧電定数と機械的品質係数を両立できるという観点において、前記チタン酸バリウム系材料が、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物とＭｎやＢｉを含むことが好ましい。圧電材料層の圧電定数と機械的品質係数が大きくなると、積層圧電素子のアドミタンスが大きくなり、大きな変位を得ることができる。また、積層圧電素子の誘電正接が小さくなり、駆動効率を高くして、デバイスの消費電力を小さくすることができる。なお、圧電材料層の組成は蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析、原子吸光分析等の手段より求めることが可能である。
また、前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物において、
前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対するＺｒのモル比であるｙが０．０１≦ｙ≦０．１０である。また前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下である。
前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対するＺｒのモル比であるｙが０．０１≦ｙ≦０．１０である。また前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下である。
ｘの値がこの範囲であると、抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２の差（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）をより大きくすることができ、積層圧電素子により大きな電界を印加しても、駆動効率が悪化することなく積層圧電素子の駆動が可能となるためである。さらに好ましくは、ｘが０．１０≦ｘ≦０．２０である。
ｙの値がこの範囲であると、前記（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）を小さくすることなく、積層圧電素子のアドミタンスを大きくできるため、結果、積層圧電素子の変位量および振動速度を大きくすることができるためである。ｙの値が０．０２≦ｙ≦０．０７であると、より好ましい。
Ｍｎの含有量がこの範囲であると、積層圧電素子の誘電正接が小さくなり、駆動効率を高くすることができるためである。さらに、０．１０重量部以上０．４０重量部以下であることがより好ましい。
ここで、「金属換算」でのＭｎの含有量は以下のように測定する。まず、蛍光Ｘ線分析、ＩＣＰ発光分光分析、原子吸光分析などにより前記圧電材料層の元素の含有量から、上記の金属酸化物を構成する元素を検出し、ペロブスカイト型酸化物に換算する。その総重量を１００としたときに、その総重量とＭｎ元素の重量との比で表される。
圧電材料層の１層辺りの厚さは特に限定されないが、積層圧電素子の設計および製造がしやすいという観点において２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。２０μｍ未満であると、積層圧電素子のアドミタンスを大きくするために、層数を多くする必要があり、その結果、金属電極層が増え、金属電極層のコストが増大するおそれがある。一方で、１００μｍより厚いと、積層圧電素子が大きな変位を得るために必要な電圧が大きくなり、その結果、電源のコストアップに繋がるおそれがある。
また、圧電材料層における結晶粒の大きさは特に限定されないが、圧電材料層が大きな圧電定数を得られるという観点において、円相当径に換算して、４μｍから２０μｍであることが好ましい。ここで「円相当径」とは、顕微鏡観察法において一般に言われる「投影面積円相当径」を表し、結晶粒の投影面積と同面積を有する真円の直径を表す。「円相当径」は、例えば、積層圧電素子の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影して得られる写真画像を画像処理して求めることができる。
電極層の材質は特に限定されないが、導電性に優れ、圧電材料層と同時に焼成できる金属であることが好ましい。チタン酸バリウム系材料は、緻密な密度（たとえば、相対密度が９０％以上）を有する焼結体を得るのに必要な最高温度が１１５０℃から１３５０℃程度であるから、この最高温度でも溶融しない金属であることが好ましい。これらの条件を満たす金属電極層としては、ニッケル、白金、銀－パラジウム合金等がある。コストが安価であるという観点において、銀－パラジウム合金が好ましい。また、銀の含有重量Ｍ１とパラジウムの含有重量Ｍ２の好ましい重量比は０．２５≦Ｍ１／Ｍ２≦４．０である。この範囲を満たすとき、金属電極層は導電性、形状均一性およびコストの観点において好ましい。
電極層の１層辺りの厚さは限定されないが、圧電材料層の変位および振動性能を阻害しないという観点において、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。電極層の導電性が高まるという観点において、より好ましくは３．５μｍ以上である。
本発明の積層圧電素子は分極－電界ヒステリシス特性を備える。図２は本発明の積層圧電素子の分極－電界ヒステリシス特性の一実施形態を示した概略図である。
分極－電界ヒステリシス特性とは、強誘電体に印加した交流電界と、強誘電体が発生する分極量との関係において履歴効果を有することをいう。
図２の横軸は印加電界であり、積層圧電素子に印加した電圧値を積層圧電素子の圧電材料層の１層の厚さで除算した値である。ここで、印加電界の値が正のときの分極－電界ヒステリシス特性を正の電界極性、負のときの分極－電界ヒステリシス特性を負の電界極性という。また、縦軸の分極量は、積層圧電素子に電圧を印加して、圧電材料層に生ずる分極が発生させる表面電荷を金属電極層の面積で除算した値である。ここで電圧の印加は、Ａ＋とＡＧ＋、Ａ－とＡＧ－、Ｂ＋とＢＧ＋もしくはＢ－とＢＧ－のいずれか１相に電圧を印加することにより行う。
また、図２において、分極量が０となる２つの電界の値を抗電界と呼ぶ。このときの電界の値をそれぞれ抗電界Ｅｃ１、抗電界Ｅｃ２と呼ぶ。また、分極－電界ヒステリシス特性を示すヒステリシスループにおいて、抗電界Ｅｃ１、抗電界Ｅｃ２が位置する電界極性とは異なる電界極性のループで囲まれた領域の面積をＳとする。つまり、図２において面積Ｓは印加電界が負の領域のループと、図中の印加電界における電界がゼロの軸とで囲まれた部分の面積を表す。
また、抗電界Ｅｃ１、抗電界Ｅｃ２と同じ電界極性における分極量の最大値をＰｍａｘ、分極量の最小値をＰｍｉｎと呼ぶ。つまりＰｍａｘおよびＰｍｉｎは、図２において、印加電界が正の部分に相当するヒステリシスループにおける最大の分極量と最小の分極量に相当する。
以下に、分極－電界ヒステリシス特性の測定方法を具体的に説明する。図３は、圧電材料層の１層の厚さが５５μｍである本発明の積層圧電素子の分極－電界ヒステリシス特性を測定するために印加した電圧の波形図である。印加した電圧は、周波数が１Ｈｚ、振幅が１１０Ｖｐ０のいわゆる三角波である。１１０Ｖｐ０の電圧を５５μｍの圧電材料層に印加したことから、得られる分極－電界ヒステリシス特性は印加電界を－２０ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍまで掃引したものということを意味する。一般的な強誘電体評価装置などの評価装置を用いて分極－電界ヒステリシス特性の測定を１０回行い、その平均値を測定値とした。
本発明の積層圧電素子は、印加電界を－２０ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍまで掃引した際の分極－電界ヒステリシス特性（ヒステリシスループ）における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置する。二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置することにより、一方の電界極性のみに電圧を印加することにより、積層圧電素子を高い駆動効率で駆動することが可能となる。つまり同一の電界極性に位置するとは、二つの抗電界が同じ符号であることを意味する。
図２で示した分極－電界ヒステリシス特性は、２つの抗電界点が共に正の電界極性に位置している例である。一方、図４は、図２とは正負が逆方向の電圧を印加した際の本発明の積層圧電素子の分極－電界ヒステリシス特性の一実施形態を示した概略図であり、２つの抗電界点は共に負の電界極性に位置している。言い換えると、圧電材料の分極処理を行った結果生じた分極軸の極性が逆の積層圧電素子に、図３に示す電界を加えた場合のヒステリシスループを示している。
このように本発明の積層圧電素子の分極－電界ヒステリシス特性は、印加する電圧の正負の方向により、２つの抗電界点が位置する電界極性が変化する。
本発明の積層圧電素子は、印加電界を－２０ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍまで掃引した際の分極－電界ヒステリシス特性における、前記２つの抗電界点における抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２（ただし、｜Ｅｃ２｜＞｜Ｅｃ１｜）が（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍである。この条件を満たすとき、積層圧電素子が分極反転により生じる電流が発生する電界が十分に高いため、積層圧電素子に大きな電界を印加することが可能となる。すなわち耐電界性に優れることを意味する。結果、前記電流成分に起因する消費電力が少なく、高効率で駆動可能な積層圧電素子を得ることができる。より好ましい（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値は１１ｋＶ／ｃｍ以上である。
一方、（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値が８ｋＶ／ｃｍ未満であると、低い電界印加時から積層圧電素子の分極反転により生じる電流が発生し、消費電力の増大が生じる。また、駆動中に自己発熱による温度上昇が生じる。チタン酸バリウム系材料は一般的にＰＺＴよりキュリー温度が低いため、自己発熱による温度上昇が続くと、脱分極することもある。従って、チタン酸バリウム系材料を用いた積層圧電素子によって、高い駆動効率を実現するには、この（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値が十分に大きいことが必要となる。
本発明の積層圧電素子は前記｜Ｅｃ２｜が１０ｋＶ／ｃｍ以上であることが好ましい。前記｜Ｅｃ２｜が１０ｋＶ／ｃｍ以上であると、積層圧電素子の分極反転により生じる電流が発生する電界を、より高くすることができるため、積層圧電素子により大きな電界を印加することが可能となる。その結果、鉛系の積層圧電素子と同等の効率の駆動特性を得ることができる。より好ましい｜Ｅｃ２｜の値は１４ｋＶ／ｃｍ以上である。
本発明においては、積層圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ｅｃ１および前記Ｅｃ２とは異なる電界極性のヒステリシスループと電界がゼロの軸とで囲まれる面積ＳがＳ≦５ｍＶ・Ｃ／ｍ３であることが好ましい。
このヒステリシスループの面積Ｓは、積層圧電素子を高電界で駆動した際の誘電正接の値と相関がある。そのため、この面積は小さければ小さいほど、積層圧電素子として損失が少ないことを意味する。この条件を満たすとき、積層圧電素子は、電圧が印加されたことによる素子自身の発熱に起因した消費電力が少なく、より高効率で駆動可能な積層圧電素子を得ることができる。より好ましいヒステリシスループの面積Ｓの値は３ｍＶ・Ｃ／ｍ３以下である。
本発明の積層圧電素子は、前記積層圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ｅｃ１および前記Ｅｃ２が位置する電界極性における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎが（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）≧１５μＣ／ｃｍ２であることが好ましい。
前記（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の値は、積層圧電素子に電圧を印加した際に得られる歪の大きさに比例する。そのため、この値が大きければ大きいほど、積層圧電素子として大きな変位や高い振動速度が得られることを意味する。すなわち変位・振動特性に優れることを意味する。この条件を満たすとき、積層圧電素子は、より低い電圧で目標とする変位量や振動速度が得られることになるため、より高効率で駆動可能な積層圧電素子を得ることができる。より好ましい分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎの差は２０μＣ／ｃｍ２以上である。
本発明の積層圧電素子は、前記（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と前記（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）との積が１２０ｋＶ・Ｃ／ｍ３以上であることが好ましい。
一般にチタン酸バリウム系材料を用いた圧電素子は、変位・振動特性と耐電界性はトレードオフの関係にある。この条件を満たすと、本発明の積層圧電素子は、変位・振動特性と耐電界性を両立することができる。より好ましい（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）との積の値は２００ｋＶ・Ｃ／ｍ３以上である。
（積層圧電素子の製造方法）
本発明にかかる積層圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下にその製造方法を例示する。
本発明にかかる積層圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下にその製造方法を例示する。
まず、粉末状のチタン酸バリウム系材料に溶媒を加えてスラリーを得る。
粉末状のチタン酸バリウム系材料には、後の焼成工程時における積層素子の反りやクラックの発生を防止するために、予めＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒ成分を含む酸化物を８００℃から１１００℃程度の温度で仮焼した、いわゆる仮焼粉を用いることが好ましい。前記酸化物にＭｎ酸化物を加えて仮焼した仮焼粉を得ても良い。仮焼粉に含まれるＢａ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎ成分の混合比は、目的とする金属酸化物と同様にする。
この仮焼粉に対し、焼成最高温度の低減および前記（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値の向上を目的として、助剤を添加する。助剤が粒子状のＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３を含むと、焼成時の粒成長に伴うグリーンシートの収縮の開始温度が低下するので、好ましい。粒子状のＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３の好ましい平均粒子径は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である。
仮焼粉に対する助剤の添加割合は、０．０５重量部以上１．０重量部以下が好ましい。助剤の添加割合を前記範囲にすることで、積層圧電素子の前記（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値を増大させつつ、焼成最高温度を低減することができる。
粉末状のチタン酸バリウム系材料に加える溶媒としては、例えば、トルエン、エタノール、酢酸ｎ－ブチル、水を用いることができる。前記金属化合物粉体に溶媒を加えボールミルで２４時間混合した後に、バインダと可塑剤を加える。バインダは例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル系樹脂を用いることができる。可塑剤としては例えば、ジオクチルセバケート、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレートを用いることができる。
次に前記スラリーを基材上に設置し、圧電材料層の前駆体であるグリーンシートを得る。
グリーンシートは例えば、ドクターブレードを用いて前記スラリーを前記基材上に塗布し、乾燥させることで得られる。基材としては例えば、フッ素コートＰＥＴフィルムを用いることができる。前記グリーンシートの厚さは特に制限されることはなく、目的とする圧電材料層の厚さに合わせて調整することができる。
次に前記グリーンシートに金属の電極層を形成する。
グリーンシートに、スルーホールとなる小さな孔を形成する。更に、グリーンシートに形成した孔の中に、電極層となる導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で充填する。更に、グリーンシートの表面に、電極層を形成する導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で印刷する。
複数枚のグリーンシートを下から順に重ねて、加熱・加圧装置により加熱しながら加圧し、積層化し、焼成前の積層体を形成する。
そして、積層体を１１５０℃～１３５０℃の大気雰囲気下で焼成を行う。次に、焼成を行った後の焼成体に対して分極処理を行う。分極処理の条件は、例えば、６０℃～１５０℃に加熱して、１ｋＶ／ｍｍ～２ｋＶ／ｍｍの電界を、１０～６０分間程度印加すると良い。分極処理はスルーホール１３に繋がる各金属電極Ａ＋、Ａ－、Ｂ＋、Ｂ－、ＡＧ＋、ＡＧ－、ＢＧ＋、ＢＧ－に対し、Ａ＋とＢ＋には正の電圧を、Ａ－とＢ－には負の電圧を印加する。また、ＡＧ＋、ＡＧ－、ＢＧ＋、ＢＧ－はグランドとする。以下、得られた積層圧電素子のＡ＋、Ａ－をＡ相、Ｂ＋、Ｂ－をＢ相と呼ぶ。
本発明の積層圧電振動子は、前記積層圧電素子と、該積層圧電素子を積層方向に挟持する第一の弾性体と第二の弾性体と、前記積層圧電素子と第一の弾性体と第二の弾性体を貫通するシャフトを有することを特徴とする。
図５は、本発明の振動子の一実施形態を示した概略構造の断面図である。
図５に示すように、積層圧電素子１０は、積層圧電素子１０の積層方向に第一の弾性体２１と第２の弾性体２２によって挟持されている。更に積層圧電素子１０は、シャフト２４と第一のナット２５を有する。
第一の弾性体２１と第二の弾性体２２は、シャフト２４を通すための孔部を有する。
シャフト２４は積層圧電素子１０、第一の弾性体２１および第２の弾性体２２を貫通する。
さらに、第一のナット２５がシャフト２４に取り付けられている。
ここで、積層圧電素子１０は、接着剤等を用いて第一の弾性体２１と第二の弾性体２２とに接合されている。接合に際しては１ＭＰａから１０ＭＰａ程度加圧しながら行うことが好ましい。また、積層圧電素子１０はシャフト２４及び第一のナット２５によって締め付けられて、所定の圧縮力が付与されている。
本発明の振動波モータは、前記積層圧電振動子と前記積層圧電振動子と接する移動体を有することを特徴とする。
図６は本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略構造の断面図である。
図６に示すように振動波モータ４０は、積層圧電振動子２０を構成する、積層圧電素子１０、第一の弾性体２１、第二の弾性体２２、シャフト２４、第一のナット２５を備えている。それに加えて、ゴム２６、移動体２７、ギア２８、加圧バネ２９、フランジ３０及び第二のナット３１を有する。
フランジ１０は、振動波モータ４０が搭載される機器のフレーム等の不図示の外部部材に振動波モータ４０を取り付けるための部材であり、第二のナット３１により所定位置に固定されている。ゴム２６の下側の端面は、第一の弾性体２１の上側の表面に接触している。移動体２７は、ゴム２６に固定されている。ギア２８は移動体２７の上側に配置されており、移動体２７の上側に設けられた凹部とギア２８の下側に設けられた凸部とが係合している。加圧バネ２９は、移動体２７とギア２８との間に配置されている。加圧バネ２９のバネ力によって、ギア２８は位置が定まると共に、移動体２７を下側へ加圧する。これにより、移動体２７に固定されたゴム２６の下側端面が、第一の弾性体２１の上側表面に押し付けられて加圧接触することで、その接触面に所定の摩擦力が生じる。
積層圧電素子１０の金属電極Ｂ＋、Ｂ－に金属電極Ａ＋、Ａ－と９０°の位相差を有する交番電圧を印加すると２つの曲げ振動が生じる。これにより、積層圧電振動子２０の曲げ振動がシャフト２４の軸を中心に回転する。その結果、第一の弾性体２１においてゴム２６と接触する接触面に楕円運動が形成されることで駆動力が発生し、第一の弾性体２１に押圧されたゴム２６が摩擦駆動される。こうして、ゴム２６、移動体２７、ギア２８及び加圧バネ２９は、一体となってシャフト２４の軸回りに回転する。この回転は、ギア２８を介して振動波モータの外部に出力される。
本発明の光学機器は、前記振動波モータと光学部材を有することを特徴とする。
図７は本発明の光学機器の一例であるデジタルカメラ（撮像装置）２００の概略構造を示す斜視図である。
デジタルカメラ２００の前面には、レンズ鏡筒２０２が取り付けられており、レンズ鏡筒２０２の内部には、レンズ２０９と、手ぶれ補正光学系２０３が配置されている。
デジタルカメラ２００の本体側には撮像素子２０８が配置されており、撮像素子２０８に、レンズ鏡筒２０２を通過した光が光学像として結像する。撮像素子２０８は、ＣＭＯＳセンサ或いはＣＣＤセンサ等の光電変換デバイスであり、光学像をアナログ電気信号に変換する。撮像素子２０８から出力されるアナログ電気信号は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後、不図示の画像処理回路による所定の画像処理を経て、画像データ（映像データ）として不図示の半導体メモリ等の記憶媒体に記憶される。
レンズ鏡筒２０２には、光軸方向に移動可能な不図示のレンズ群が配置されている。振動波モータ４０は、不図示のギア列等を介してレンズ鏡筒等の光学部材に力学的に接続され、レンズ鏡筒２０２に配置されたレンズ群を駆動する。振動波モータ４０は、デジタルカメラ２００において、ズームレンズの駆動、フォーカスレンズの駆動等に用いることができる。
ここで本発明の光学機器として、デジタルカメラについて説明した。それ以外にも一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒、コンパクトカメラ、電子スチルカメラ、カメラ付き携帯情報端末等、カメラの種類を問わない。駆動部に振動波モータを有する光学機器に広く適用することができる。
本発明の電子機器は、前記積層圧電振動子を備えることを特徴とする。
図８は本発明の電子機器の一実施形態を示した概念図である。
本発明の積層圧電振動子は、液体吐出ヘッド、振動装置、圧電集音装置、圧電発音装置、圧電アクチュエータ、圧電センサ、圧電トランス、強誘電メモリ、発電装置等の電子機器に用いることができる。
本発明の電子機器は、図８に示すように、本発明の積層圧電振動子を備えている。また前記積層圧電振動子への電圧印加手段および電力取出手段の少なくとも一方を有しているとよい。「電力取出」とは、電気エネルギーを採取する行為もしくは電気信号を受信する行為のいずれであっても良い。電圧印加手段により発生する積層圧電振動子の振動を電子機器がその機能を発揮するために利用する。あるいは、外部作用によって振動した積層圧電振動子に発生した電力を電力取出手段で検知して電子機器がその機能を発揮するために利用する。
以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。
（積層素子、積層圧電振動子の作製）
（実施例１）
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
（実施例１）
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
具体的には、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１３に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．３０重量部となるように秤量して混合した。この混合粉を９００℃で４時間仮焼し、チタン酸バリウム系材料よりなる仮焼粉を得た。
この仮焼粉１００重量部に対し、０．１重量部の助剤を添加した。助剤には平均粒子径が１．０μｍの粒子状であるＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３の混合物を用いた。助剤に含まれるＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３の重量比は、無水物として５対２対２対１とした。
次に、溶媒である水に対し、助剤を混合した仮焼粉と、バインダ（ＰＶＢ）、分散剤を加えて混合し、スラリーを得た。
得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ６０μｍのグリーンシートを得た。上記グリーンシートにスルーホールとなる小さな孔を形成し、その孔の中に導電ペーストを充填した。また、上記グリーンシートの表面に、金属電極層を形成する導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、銀（Ａｇ）５０％－パラジウム（Ｐｄ）５０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝１．０）ペーストを用いた。導電ペーストを印刷したグリーンシートを３６枚積層して、その積層体を最高温度１２５０℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た。
このようにして得られた焼結体の圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価した。その結果、（Ｂａ０．８７Ｃａ０．１３）（Ｔｉ０．９７Ｚｒ０．０３）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物を主成分としており、前記主成分１００重量部に対してＭｎが０．３０重量部含有されていることが分かった。Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。
焼結体を切削加工した後に、４分割された金属電極のうち１８０度の位置関係にある２つの金属電極を互いに分極方向が異なるように、１３５℃、１．４ｋＶ／ｍｍ、３０分間分極処理を行い、図１のような実施例１の積層圧電素子を得た。
得られた積層圧電素子は、外径６ｍｍ、内径２ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、圧電材料層の厚さが５５μｍ、金属電極が外径９．５ｍｍ、厚さ５μｍ、圧電材料層の層数が３６層、金属電極層の層数が３５層、スルーホールの直径０．１ｍｍであった。
続いて、得られた積層圧電素子を用いて図５のような積層圧電振動子を作製した。
まず、積層圧電素子をプライマー処理して、第一の弾性体に加圧接着した。続いて、前記積層圧電素子の第一の弾性体が接着していない面に対し、フレキシブルプリント基板からなる電気配線を第二の弾性体によって挟み込んだ。最後に、シャフトを積層圧電素子、第一の弾性体および第二の弾性体に貫通させた後に、第一のナットを３ｋｇｆ・ｍで加圧締込を行い、実施例１の積層圧電振動子を得た。
（実施例２）
第一のナットを２ｋｇｆ・ｍで加圧締め込みを行った点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例２の積層圧電振動子を得た。
第一のナットを２ｋｇｆ・ｍで加圧締め込みを行った点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例２の積層圧電振動子を得た。
（実施例３）
第一のナットを４ｋｇｆ・ｍで加圧締め込みを行った点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例３の積層圧電振動子を得た。
第一のナットを４ｋｇｆ・ｍで加圧締め込みを行った点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例３の積層圧電振動子を得た。
（実施例４）
以下の点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例４の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０７に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．２０重量部となるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）４０％－パラジウム（Ｐｄ）６０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝０．６７）ペーストを用いた点
（３）積層体を最高温度１２８０℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た点
以下の点以外は、実施例１と同様の工程で、実施例４の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０７に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．２０重量部となるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）４０％－パラジウム（Ｐｄ）６０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝０．６７）ペーストを用いた点
（３）積層体を最高温度１２８０℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た点
（実施例５）
以下の点以外は、実施例４と同様の工程で、実施例５の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．２０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．１０重量部となるように秤量して混合した点
以下の点以外は、実施例４と同様の工程で、実施例５の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．２０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．１０重量部となるように秤量して混合した点
（実施例６）
以下の点以外は、実施例４と同様の工程で、実施例６の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．４０重量部となるように秤量して混合した点
以下の点以外は、実施例４と同様の工程で、実施例６の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．４０重量部となるように秤量して混合した点
（比較例１）
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。
具体的には、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．０８に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０７に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．１８重量部となるように秤量して混合した。この混合粉を９００℃で４時間仮焼し、チタン酸バリウム系材料よりなる仮焼粉を得た。
この仮焼粉１００重量部に対し、０．１重量部の助剤を添加した。助剤には平均粒子径が１．０μｍの粒子状であるＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３の混合物を用いた。助剤に含まれるＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２ＣＯ３の重量比は、５対２対２対１とした。
次に、溶媒である水に対し、助剤を混合した仮焼粉と、バインダ（ＰＶＢ）、分散剤、加えて混合し、スラリーを得た。
得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ６０μｍのグリーンシートを得た。上記グリーンシートにスルーホールとなる小さな孔を形成し、その孔の中に導電ペーストを充填した。また、上記グリーンシートの表面に、金属電極層を形成する導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、銀（Ａｇ）５０％－パラジウム（Ｐｄ）５０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝１．０）ペーストを用いた。導電ペーストを印刷したグリーンシートを３６枚積層して、その積層体を最高温度１２００℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た。
このようにして得られた焼結体の圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価した。その結果、（Ｂａ０．９２Ｃａ０．０８）（Ｔｉ０．９３Ｚｒ０．０７）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物を主成分としており、前記主成分１００重量部に対してＭｎが０．１８重量部含有されていることが分かった。Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。
焼結体を切削加工し、４分割された金属電極のうち１８０度の位置関係にある２つの金属電極を互いに分極方向が異なるように、１３５℃、１．４ｋＶ／ｍｍ、３０分間分極処理を行い、図１のような比較例１の積層圧電素子を得た。
得られた積層圧電素子は、外径６ｍｍ、内径２ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ、圧電材料層の厚さが５５μｍ、金属電極が外径９．５ｍｍ、厚さ２～３μｍ、圧電材料層の層数が３６層、金属電極層の層数が３５層、スルーホールの直径０．１ｍｍであった。
続いて、得られた積層圧電素子を用いて図５のような積層圧電振動子を作製した。
まず、積層圧電素子をプライマー処理して、第一の弾性体に加圧接着した。続いて、前記積層圧電素子の第一の弾性体が接着していない面に対し、フレキシブルプリント基板からなる電気配線を第二の弾性体によって挟み込んだ。最後に、シャフトを積層圧電素子、第一の弾性体および第二の弾性体に貫通させた後に、第一のナットを３ｋｇｆ・ｍで加圧締込を行い、比較例１の積層圧電振動子を得た。
（比較例２）
以下の点以外は、比較例１と同様の工程で、比較例２の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１３に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．２０重量部となるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）６０％－パラジウム（Ｐｄ）４０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝１．５）ペーストを用いた点
（３）積層体に対して分極処理を行わなかった点
以下の点以外は、比較例１と同様の工程で、比較例２の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ３Ｏ４）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．１３に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．２０重量部となるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）６０％－パラジウム（Ｐｄ）４０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝１．５）ペーストを用いた点
（３）積層体に対して分極処理を行わなかった点
（比較例３）
以下の点以外は、比較例１と同様の工程で、比較例３の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．０２に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）４０％－パラジウム（Ｐｄ）６０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝０．６７）ペーストを用いた点
（３）積層体を最高温度１３００℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た点
以下の点以外は、比較例１と同様の工程で、比較例３の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．０２に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
（２）導電ペーストには、銀（Ａｇ）４０％－パラジウム（Ｐｄ）６０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝０．６７）ペーストを用いた点
（３）積層体を最高温度１３００℃で５時間保持する焼成をして焼結体を得た点
（比較例４）
以下の点以外は、比較例３と同様の工程で、比較例４の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．０８に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
以下の点以外は、比較例３と同様の工程で、比較例４の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．０８に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
（比較例５）
以下の点以外は、比較例３と同様の工程で、比較例５の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．２０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
以下の点以外は、比較例３と同様の工程で、比較例５の積層圧電振動子を得た。
（１）炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）および酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を、ＢａおよびＣａの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＢａの含有量の比であるｘの値が０．２０に、ＴｉおよびＺｒの含有量（ｍｏｌ）の和に対するＺｒの含有量の比であるｙの値が０．０５になるように秤量して混合した点
実施例１から６および比較例１から５の製造条件を表１にまとめた。
（積層素子、積層圧電振動子の評価）
得られた積層圧電振動子の分極－電界ヒステリシス特性は、強誘電体評価装置（東陽テクニカ社製、商品名：ＦＣＥ－１）によって評価した。
得られた積層圧電振動子の分極－電界ヒステリシス特性は、強誘電体評価装置（東陽テクニカ社製、商品名：ＦＣＥ－１）によって評価した。
積層圧電振動子には、振幅が±１１０Ｖｐ０、周波数が１Ｈｚの三角波の電圧を印加した。電圧の印加によって得られた分極量と電界の関係を１０回測定し、その平均値から、分極－電界ヒステリシス特性における各評価パラメータを算出した。ここで、電圧の振幅が±１１０Ｖｐ０であることは、電界としては－２０ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍまで掃引して印加したこととなる。
分極－電界ヒステリシス特性は以下の項目により評価した。
（項目１） 二つの抗電界点の電界極性
（項目２） 二つの抗電界点における抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２の差（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）
（項目３） ｜Ｅｃ２｜の値
（項目４） 二つの抗電界点が位置する電界極性とは異なる電界極性のヒステリシスループの面積Ｓ
（項目５） 二つの抗電界点が位置する電界極性側における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎの差（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の絶対値
（項目６） （｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の積
実施例１から６および比較例１から５の分極－電界ヒステリシス特性を表２にまとめた。
（項目１） 二つの抗電界点の電界極性
（項目２） 二つの抗電界点における抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２の差（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）
（項目３） ｜Ｅｃ２｜の値
（項目４） 二つの抗電界点が位置する電界極性とは異なる電界極性のヒステリシスループの面積Ｓ
（項目５） 二つの抗電界点が位置する電界極性側における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎの差（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の絶対値
（項目６） （｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の積
実施例１から６および比較例１から５の分極－電界ヒステリシス特性を表２にまとめた。
また、図１０（ａ）は実施例１、図１０（ｂ）は実施例２、図１０（ｃ）は実施例３の分極－電界ヒステリシス特性の波形である。また、図１１（ａ）は比較例１、図１１（ｂ）は比較例２の分極－電界ヒステリシス特性の波形である。
表２に示すように、実施例１から６の二つの抗電界点の電界極性は、いずれも正のみであった。また、実施例１から６の二つの抗電界点における抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２の差（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値は、いずれも８ｋＶ／ｃｍ以上であった。また、実施例１から６の｜Ｅｃ２｜の値は、いずれも１０ｋＶ／ｃｍ以上であった。また、実施例１から４の二つの抗電界点が位置する電界極性とは異なる電界極性のヒステリシスループの面積Ｓは、いずれも５ｍＶ・Ｃ／ｍ３以下であった。また、実施例１から４および６の二つの抗電界点が位置する電界極性側における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎの差（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の絶対値は、いずれも１５μＣ／ｃｍ２以上であった。さらに、実施例１から６の（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の積は、いずれも１２０ｋＶ・Ｃ／ｍ３以上であった。
一方、比較例１および比較例２は二つの抗電界点における抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２の差（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）の値が８．０ｋＶ未満であった。また、比較例３から５は、二つの抗電界点の電界極性がいずれも正と負であった。
（振動波モータ）
（実施例７から１２）
実施例１から６で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図６のような振動波モータを作製した（実施例７から１２）。
（実施例７から１２）
実施例１から６で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図６のような振動波モータを作製した（実施例７から１２）。
作製した振動波モータのＡ相とＢ相に位相差が９０°となるように、１５Ｖｒｍｓの交番電圧をそれぞれ印加し、振動波モータを回転駆動させた。そして、７００ｒｐｍ時のモータ電力を電力計にて測定した。その結果を表３に示す。
（比較例６から１０）
比較例１から５で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図６のような振動波モータを作製した（比較例６から１０）。
比較例１から５で作製した積層圧電振動子と、ゴム、移動体、ギア、加圧バネ、フランジ及び第二のナットを用いて、図６のような振動波モータを作製した（比較例６から１０）。
作製した振動波モータのＡ相とＢ相に位相差が９０°となるように、１５Ｖｒｍｓの交番電圧をそれぞれ印加し、５０ｇｆ・ｃｍの負荷をかけて振動波モータを回転駆動させた。そして、７００ｒｐｍ時のモータの消費電力を電力計にて測定した。その結果を表３に示す。
表３に示すように、実施例７から１２の７００ｒｐｍ時における消費電力は、いずれも２．０Ｗ未満であったのに対し、比較例６、８、９および１０の７００ｒｐｍ時における消費電力は２．３Ｗ以上となった。また、比較例７に関しては最高速度が７００ｒｐｍに達しなかった。
（光学機器）
（実施例１３および比較例１１）
実施例７で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図７のような光学機器を作製した（実施例１３）。また、比較例６で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図７のような光学機器を作製した（比較例１１）。どちらの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例１３のフォーカス動作は比較例１１のフォーカス動作に比べて、消費電力が小さかった。
（実施例１３および比較例１１）
実施例７で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図７のような光学機器を作製した（実施例１３）。また、比較例６で作製した振動波モータと光学部材とを力学的に接続し、図７のような光学機器を作製した（比較例１１）。どちらの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例１３のフォーカス動作は比較例１１のフォーカス動作に比べて、消費電力が小さかった。
（電子機器）
実施例１の積層圧電素子を用いて、図１１に示される液体吐出ヘッドを作製した。図１１に示す液体吐出ヘッドは、実施例の積層圧電素子１０１（電極１０１１、積層部１０１２、電極１０１３よりなる）を有している。さらに、吐出口１０５、個別液室１０２、個別液室１０２と吐出口１０５をつなぐ連通孔１０６、液室隔壁１０４、共通液室１０７、振動板１０３、圧電素子１０１を有する。液室内には液状のインクを貯留し得る。
実施例１の積層圧電素子を用いて、図１１に示される液体吐出ヘッドを作製した。図１１に示す液体吐出ヘッドは、実施例の積層圧電素子１０１（電極１０１１、積層部１０１２、電極１０１３よりなる）を有している。さらに、吐出口１０５、個別液室１０２、個別液室１０２と吐出口１０５をつなぐ連通孔１０６、液室隔壁１０４、共通液室１０７、振動板１０３、圧電素子１０１を有する。液室内には液状のインクを貯留し得る。
液体吐出ヘッドに電気信号を入力すると、信号パターンに追随したインクの吐出が確認された。この液体吐出ヘッドをインクジェット式プリンタに組込み、記録紙へのインク吐出を確認した。
その他、本発明の積層圧電素子あるいは振動子を備えたさまざまな電子機器に適用可能であることを確認した。
本発明によれば高効率な駆動特性を有する積層圧電素子を提供できる。また、本発明によれば、高効率な駆動特性を有する振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。さらに、本発明の積層素子は積層素子を用いた圧電デバイス全般に適用可能である。
１０ 積層圧電素子
１１ 圧電材料層
１２ 金属電極層
１３ スルーホール
１１ 圧電材料層
１２ 金属電極層
１３ スルーホール
Claims (11)
- 圧電材料層と、電極層が交互に積層された積層圧電素子において、
前記圧電材料層はチタン酸バリウム系材料を含み、
前記積層圧電素子の二つの抗電界Ｅｃ１およびＥｃ２が同じ符号であり、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）≧８ｋＶ／ｃｍ
であることを特徴とする積層圧電素子。 - 前記｜Ｅｃ２｜が１０ｋＶ／ｃｍ以上である請求項１に記載の積層圧電素子。
- 前記積層圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ｅｃ１および前記Ｅｃ２とは異なる電界極性のヒステリシスループと電界がゼロの軸とで囲まれる面積ＳがＳ≦５ｍＶ・Ｃ／ｍ３である請求項１または２に記載の積層圧電素子。
- 前記積層圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ｅｃ１および前記Ｅｃ２と同じ電界極性における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎとしたとき、
（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）≧１５μＣ／ｃｍ２である請求項１から３のいずれか１項に記載の積層圧電素子。 - 前記積層圧電素子のヒステリシスループにおける、前記Ｅｃ１および前記Ｅｃ２が位置する電界極性における分極量の最大値Ｐｍａｘと分極量の最小値Ｐｍｉｎとしたとき、
（｜Ｅｃ２｜－｜Ｅｃ１｜）と（｜Ｐｍａｘ－Ｐｍｉｎ｜）の積が１２０ｋＶ・Ｃ／ｍ３以上である請求項１から４のいずれか１項に記載の積層圧電素子。 - 前記チタン酸バリウム系材料が、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、およびＺｒを含む酸化物と、Ｍｎを含む請求項１から５のいずれか１項に記載の積層圧電素子。
- 前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対するＺｒのモル比であるｙが０．０１≦ｙ≦０．１０であり、前記酸化物１００重量部に対する前記Ｍｎの含有量は、金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下である請求項６に記載の積層圧電素子。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載された積層圧電素子と、前記積層圧電素子を挟持する第一の弾性体と第二の弾性体と、前記積層圧電素子と第一の弾性体と第二の弾性体を貫通するシャフトを有する振動子。
- 請求項８に記載の振動子と、前記振動子と接する移動体を有する振動波モータ。
- 請求項９の振動波モータと、光学部材を有することを特徴とする光学機器。
- 請求項１乃至７のいずれか１項に記載された積層圧電素子あるいは請求項８に記載の振動子を備えた電子機器。
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